DCS 控制系統(tǒng)在焦?fàn)t煤氣制甲醇中甲醇精餾工序的應(yīng)用

王 蕾，張碧帥

（1.山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團有限公司，山西 太原 030032；2.山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

在科技、經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，對能源的需求量越來越大、種類也越來越多。煤炭作為能源結(jié)構(gòu)的主體地位，充分發(fā)揮其作用是一直以來關(guān)注的熱點。我國煤炭焦化所得焦炭的產(chǎn)量占據(jù)全世界的50%，如何充分利用煤焦化處理過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣也是減少能源浪費的主要途徑。目前，基于焦?fàn)t煤氣制備甲醇過程中精餾工序的可靠性直接決定著最終甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量和整個企業(yè)的經(jīng)濟效益。焦?fàn)t煤氣制備甲醇的精餾工序?qū)儆诘湫偷臏筮^程，如何實現(xiàn)對該復(fù)雜工序的高效、精準(zhǔn)控制一直是業(yè)界的研究重點。本文將研究DCS 控制系統(tǒng)在甲醇精餾工序的應(yīng)用。

1 甲醇精餾工序概述

焦?fàn)t煤氣中的主要成分為甲烷和氫氣，焦?fàn)t煤氣制備甲醇的一般工藝流程：焦?fàn)t煤氣在常壓狀態(tài)下過濾→經(jīng)過濾處理后焦?fàn)t煤氣壓縮到一定壓力（2.5MPa）→脫硫→精脫硫→轉(zhuǎn)化率純氧轉(zhuǎn)化→熱回收冷卻分離→常溫氧化鋅精脫硫→合成壓縮機的作用下合成甲醇→粗甲醇的精餾工序→得到精甲醇并存儲于成品罐區(qū)中[1]。

一般情況下，焦?fàn)t煤氣中甲烷所占比例為25%，其在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化所得的一氧化碳和二氧化碳和其本身所含的氫氣足夠為制備甲醇的原料。本文所研究的焦?fàn)t煤氣制備甲醇時所采用的甲醇精餾工藝為采用三塔雙效進行。甲醇精餾的目的是將合成甲醇過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物和多余的二氧化碳、氫氣以及水蒸氣等進行處理，旨在經(jīng)精餾工序后得到高質(zhì)量、高純度的甲醇產(chǎn)品。合成甲醇過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物可根據(jù)其沸點不同進行分類，包括有：沸點小于甲醇的甲酸甲酯和二甲醚；沸點大于甲醇的丙醇、乙醇以及水等。甲醇精制的原理為根據(jù)不同產(chǎn)物與甲醇產(chǎn)品沸點的不同，通過三塔雙效精餾工藝將副產(chǎn)物通過多次部分氣化和冷卻工序?qū)⑵渑c甲醇分離，最終得到精甲醇產(chǎn)品[2]。

所謂三塔指的是精餾操作過程中涉及到的預(yù)精餾塔、加壓塔及常壓塔。經(jīng)上述三塔精餾處理后的甲醇再次經(jīng)過中間罐區(qū)工藝流程得到精甲醇。中間罐區(qū)工藝流程如第177 頁圖1 所示。

如圖1 所示，粗甲醇在精餾處理后經(jīng)過型號為C40505 的五合一冷卻器降溫后運送至中間罐區(qū)的精甲醇貯槽；貯槽內(nèi)的精甲醇采樣分析合格后可直接銷售。

圖1 中間罐區(qū)工藝流程圖

2 甲醇精餾工序?qū)刂葡到y(tǒng)的要求及功能

2.1 甲醇精餾工序控制系統(tǒng)要求

甲醇精餾工序除了控制設(shè)備完成常規(guī)的精餾操作外，還需對各個精餾塔中的物料、熱量以及氣液進行平衡控制。具體平衡控制流程為：根據(jù)精餾塔進料的量在系統(tǒng)中塔釜和塔頂建立熱平衡，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)氣液平衡。鑒于甲醇精餾工序控制的復(fù)雜性和多樣性，要求控制系統(tǒng)需滿足如下要求：

1）甲醇精餾控制系統(tǒng)應(yīng)與其他工序控制系統(tǒng)相互兼容，并能夠?qū)崿F(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信和傳輸；

2）鑒于焦?fàn)t煤氣制備甲醇屬于易燃易爆操作，要求甲醇精餾控制系統(tǒng)具備安全防爆功能；

3）基于甲醇精餾控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對該工序各操作的自動化控制，并具備一定的抗干擾能力，向無人值守的方向發(fā)展；

4）基于甲醇精餾控制系統(tǒng)可對生產(chǎn)中的故障進行報警，對操作記錄和相關(guān)曲線進行記錄形成數(shù)據(jù)庫，為今后生產(chǎn)的優(yōu)化和事故的分析提供支撐[3]。

2.2 甲醇精餾工序控制功能的實現(xiàn)

為保證控制系統(tǒng)能夠?qū)状季s工序精準(zhǔn)、實時控制并滿足上述控制要求，本工程將采用DCS 控制系統(tǒng)為核心對甲醇精餾工序進行控制，并重點對甲醇精餾工序中的溫度、質(zhì)量、壓力、流量進行基礎(chǔ)控制的同時實現(xiàn)液位的聯(lián)鎖控制。常壓塔為整個甲醇精餾工序的核心，尤其是對其溫度和壓力的控制，本文重點對常壓塔的溫度和壓力進行控制。常壓塔頂?shù)目刂葡到y(tǒng)如圖2 所示。

圖2 常壓塔塔頂控制系統(tǒng)圖

針對常壓塔壓力和溫度的控制，基于DCS 控制系統(tǒng)對應(yīng)的控制參數(shù)包括有常壓塔塔頂冷卻器甲醇的出口溫度、常壓塔甲醇的回流流量和采出量以及實現(xiàn)對常壓塔回流槽的液位聯(lián)鎖保護控制。本工程將采用PID 控制算法和串級控制方案實現(xiàn)對整個甲醇精餾工序的調(diào)節(jié)控制。

3 甲醇精餾工序DCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計

DCS 控制系統(tǒng)匯集了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，其是分散控制和集中控制的新型控制系統(tǒng)。

3.1 DCS 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

為保證所選控制系統(tǒng)能夠滿足甲醇精餾工藝的應(yīng)用，同時兼顧設(shè)計成本，本工程最終確定選擇型號為CENTUM VP 系統(tǒng)實現(xiàn)對甲醇精餾工藝的集散控制。為保證該系統(tǒng)在實際操作控制中的安全性，控制系統(tǒng)采用雙重冗余設(shè)計的理念，進而確保該系統(tǒng)出現(xiàn)故障后不會導(dǎo)致整個生產(chǎn)癱瘓[4]。

以CENTUM VP 系統(tǒng)為基礎(chǔ)并結(jié)合甲醇精餾工序的實際操作流程完成現(xiàn)場控制站、接線模塊、接口電路以及通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。同時，考慮到本工程DCS控制系統(tǒng)核心是對常壓塔塔頂溫度和壓力的控制，對應(yīng)的關(guān)鍵儀表的選型如表1 所示。

3.2 DCS 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在甲醇精餾工序中，除了對常規(guī)的調(diào)節(jié)閥完成正?？刂仆?，最主要對是對常壓回流槽進口甲醇溫度、常壓塔甲醇回流流量、常壓塔回流槽液位的調(diào)節(jié)與聯(lián)鎖控制以及甲醇貯槽的聯(lián)鎖保護等。

其中，常壓回流槽進口甲醇的溫度是通過對常壓塔頂冷區(qū)器風(fēng)機的轉(zhuǎn)動速度進行控制實現(xiàn)的，該項控制基于變頻調(diào)速完成。

常壓塔甲醇回流流量的控制是基于串接控制實現(xiàn)的，具體串接對象包括有回流流量和常壓塔氣相甲醇溫度兩項參數(shù)。對應(yīng)的串接控制組態(tài)程序如圖3 所示。

圖3 常壓塔甲醇回流流量與氣相甲醇溫度的串接控制

甲醇貯罐是對精餾所得甲醇產(chǎn)品存儲的裝置，鑒于甲醇屬于易燃物質(zhì)實現(xiàn)對甲醇貯罐的聯(lián)鎖保護尤為重要。甲醇貯罐的聯(lián)鎖保護控制程序流程如圖4所示。

如圖4 所示，基于DCS 控制系統(tǒng)的甲醇貯罐聯(lián)鎖保護功能可對貯罐內(nèi)的甲醇液位進行實時顯示，并對超限狀態(tài)進行報警；在DCS 控制系統(tǒng)的作用下可對系統(tǒng)內(nèi)各類閥的開關(guān)狀態(tài)進行監(jiān)測；當(dāng)系統(tǒng)檢測到火警信號時及時關(guān)閉入料閥和出料閥[5]。

圖4 甲醇貯罐聯(lián)鎖保護程序控制流程

4 結(jié)語

焦?fàn)t煤氣為對煤炭焦化再加工時不可避免的副產(chǎn)物，焦?fàn)t煤氣制備甲醇為充分利用煤炭資源，減少資源浪費的途徑。為解決當(dāng)前焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝中甲醇精餾工序復(fù)雜對應(yīng)控制系統(tǒng)無法滿足實際需求的問題，本文基于DCS 控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)重點基于PID 和串接控制相結(jié)合的控制方式對精餾工序進行控制，尤其是對精餾工序中溫度和壓力的控制。同時，鑒于甲醇為易燃物品，基于DCS 控制系統(tǒng)實現(xiàn)對甲醇貯罐的聯(lián)鎖保護。